Лекция 12 Цифровые процессоры обработки сигналов Лектор: Люличева И. А. 1
Вопросы, изучаемые в теме ЦОС Общие сведения Линейная обработка сигналов, цифровые фильтры Нелинейная обработка сигналов, ее применение в системах защиты информации. Обзор сигнальнх процессоров фирмы Texas Instruments Обзор DSP фирмы Motorola Особенности архитектуры АDSP фирмы Analog Device Особенности систем команд сигнальных процессоров Структурные схемы устройств на базе DSP 2
Рекомендуемая литература 3
Области применения ЦОС Общие сведения о DSP Аппаратура связи и передачи данных, средства гидро и радиолокации, медицинское оборудование и робототехника, управление двигателями, оружием и станками, автомобильная электроника и авионика, телевидение и измерительная техника, приборы контроля за состоянием объектов и окружающей среды, радиовещание и высококачественное воспроизведение звука, компьютерные технологии вот далеко не полный перечень технических приложений, где методы и средства цифровой обработки сигналов (ЦОС) обеспечивают принципиально новое качество. 4
Двойная Гарвардская архитектура Общие сведения Все ЦПОС имеют модифицированную двойную Гарвардскую архитектуру. Гарвардская архитектура предусматривает раздельные шины адреса для команд и данных, что позволяет одновременно выбирать инструкции и операнды. Модифицированная Гарвардская архитектура дает возможность обмена между памятью программ и данных, увеличивая гибкость микропроцессора. Так, коэффициенты, расположенные в памяти программ, могут быть переданные в память данных, что приводит к экономии памяти, выделяемой для коэффициентов. Двойная Гарвардская архитектура предусматривает наличие 2 х входового ОЗУ и нескольких шин данных и адреса, что увеличивает скорость обработки. 5
Особенности сигнальных процессоров Кроме архитектуры ЦПОС отличаются от универсальных МП рядом общих особенностей: Высокой скоростью выполнения операции МАС (умножение с накоплением), т. е. вычисление суммы. Выполнением одной операции за один машинный такт. Наличием многпортовой памяти, т. е. возможностью извлечения из ОЗУ двух операторов в одном такте. Наличием разнообразных встроенных периферийных устройств. Наличием специальных режимов адресации и дополнительных аппаратных способов организации циклов, например цикла for. То есть современный DSP можно назвать специализированным однокристальным микроконтроллером (МК). 6
Достоинства и недостатки цифровой обработки сигналов Общие сведения Достоинства: Делятся на 3 группы – реализационные, технологические и экономические Нет ограничений на сложность обработки Полная повторяемость характеристик Легкость изменения параметров и алгоритмов обработки (сменить ПЗУ или дистанционно, если предусмотрена такая возможность) Минимизация габаритов и расхода электроэнергии Возможность использования встроенных систем авто диагностики Экономические – СР 7
Достоинства и недостатки цифровой обработки сигналов Общие сведения Недостатки (и пути борьбы с ними): Ограничения на полосу обрабатываемых сигналов (борьба – повышение частоты АЦП и процессора) При возрастании сложности обработки полоса частот сужается (борьба – 1. повышение тактовой частоты процессора; 2. применение суперскалярной или многопотоковой архитектуры (multithread technology), короче – более современные архитектурные решения 3. создание более современных математических методов обработки) Все возрастающее увеличение удельного веса разработки ПО в стоимости изделия. При многообразии систем команд требования к квалификации программистов растут. Выход – программирование на языках С++ или Java. 8
Схема цифровой обработки аналоговых сигналов Внешняя память ФНЧ 1 ФНЧ 2 АЦП + DSP + ЦАП АЦП выполняет дискретизацию сигнала как по частоте так и по уровню. При этом от непрерывного x(t) мы переходим к дискретному x(n. T) – далее для простоты Xn. T=1/Fd, где Fd – частотота дискретизации. Назначение ФНЧ 1 ограничение вх сигнала по теореме Котельникова. Причем Fв<Fd/2. После ЦАП сигнал остается ступенчатым по уровню Назначение ФНЧ 2 – убрать ступеньки. 9
Методы цифровой обработки сигналов Делятся на 2 группы – линейные и нелинейные 1. К линейным методам относится цифровая фильтрация 2. Некоторые из методов нелинейной обработки Изменение Fd Операции со спектрами сигналов Модуляция и демодуляция Частотное разделение сигналов Адаптивные и медианные фильтры Сжатие речи или изображений Помехоустойчивое кодирование Расширение спектра сигналов 10
Цифровая фильтрация Обзор методов ЦОС 1. 2. Выражение для ЦФ Структурная схема ЦФ X(n. T) Y(n. T) 11
Обработка речи Обзор методов ЦОС 12
Спектры сигналов, характерные для DTMF Обзор методов ЦОС При тональном наборе номера каждой цифре соответствует две гармоники из заданного набора. На рисунке приведен спектр цифры 2 Для определения номера следует производить свертку сигнала с 10 известными образцами (используется преобразование Гильберта). Существуют специализированные МК, которые выполняют именно это преобразование. Но в приемнике DTMF можно использовать и недорогой 16 разрядный DSP. 13
Пример ЦОС односторонний маскиратор Абонент № 1, имеющий односторонний маскиратор, получает входной звонок от некоторого абонента № 2, не имеющего в общем случае такого маскиратора. "Входящий" звонок может быть с любого городского (междугороднего) телефона, включая таксофон и радиотелефон сотовой связи. В момент передачи важных сообщений, требующих защиты (о чем абонент № 2 извещает открытым текстом), абонент № 1 подключает к линии маскиратор речи, создающий в линии достаточно интенсивный шум. Этот шум слышит абонент № 2, но продолжает разговор, не меняя голоса. В отличие от него абонент № 1 шума не слышит, он воспринимает "чистую" речь, поскольку шум приеме автоматически компенсируется. По завершении приема важных сведений заградительная помеха отключается. 14
Адаптивные фильтры в маскираторе Принцип действия одностороннего маскиратора Инструментальной основой маскираторов речи "Туман" являются современные двухканальные цифровые адаптивные фильтры. Структурная схема маскиратора представлена на рисунке. 15
Адаптивные фильтры в маскираторе Выполняемая адаптивным фильтром функция сводится к компенсации помехи, создаваемой в линии генератором. С этой целью на один из входов фильтра подается "чистый" шум с известным спектром N(jw), а на другой аддитивная смесь принимаемого (полезного) речевого сигнала S(jw) и той же помехи , но с измененной в общем случае (вследствие прохождения через телефонный тракт) спектральной характеристикой N(jw)*K(jw), где К(jw) неизвестный заранее комплексный коэффициент передачи телефонного тракта. 16
Адаптивные фильтры в маскираторе Адаптивный фильтр анализирует сигналы, поступающие на его входы, и подбирает некоторое спектральное преобразование А(jw) над "чистым" шумом такое, чтобы обеспечивалось максимальное подавление шума в разности принимаемой по одному из входов смеси Y(jw)=S(jw)+N(jw)*K(jw) полезного сигнала с помехой и преобразованной помехи N(jw)*A(jw). Минимальные средне квадратические ошибки фильтрации имеют место при А(jw) = {Y(jw)*N(jw)}/{N 2(jw)}, где символ {z} означает усреднение величины z в течение некоторого времени адаптации. 17
Обзор семейств ЦПОС Анализ сложившегося рынка показывает, что доминирующие позиции в ближайшем будущем будут занимать крупные компании производители ЦПОС, такие как Texas Instruments Inc. , Analog Devices, Motorola и ряд других, которые способны создавать не только ЦПОС низкой себестоимости, но и ежегодно инвестировать новые разработки и ноу хау, создавать принципиально новые модели и платформы. 18
Компания Texas Instruments Inc. В период с 1998 по 2000 г. компанией Texas Instruments Inc. Были проданы подразделения по производству компьютеров ноутбуков, схем памяти, оборонной электроники и были приобретены известные фирмы, занимающиеся разработкой прикладного программного обеспечения для DSP (GO DSP, TARTAN, AMATI, Spectron Microsystems). В результате доля Texas Instruments Inc. на рынке DSP вплотную приблизилась к 50%. Кроме того, компания Texas Instruments Inc. вышла на одно из первых мест в мире по продажам аналоговых и аналого цифровых схем. 19
Обзор семейств ЦПОС TMS DSP с фиксированной точкой компании Texas Instruments Inc. представлены сериями ЦПОС: TMS 320 C 1 x, TMS 320 C 2 xx, TMS 320 C 5 x и TMS 320 C 62 x. Класс с плавающей точкой включает ЦПОС TMS 320 C 3 x, TMS 320 C 4 x и TMS 320 C 67 x. TMS 320 C 8 x также поддерживает операции с плавающей точкой и представляет собой мультипроцессорную систему, выполненную в одном кристалле. Три серии – TMS 320 С 2000, TMS 320 С 5000 и TMS 320 С 6000, по мнению экспертов компании, в ближайшем будущем должны покрыть весь диапазон возможных применений ЦПОС, предоставляя потребителю выбор ПЦОС по критерию "производительность / стоимость / потребляемая мощность" 20
Микропроцессоры семейства TMS 320 C 3 x Первым представителем класса процессоров с плавающей точкой явился TMS 320 C 30. На момент выпуска процессора в конце 80 х годов, TMS 320 C 30 значительно превосходил по производительности процессоры других компаний производителей DSP. Процессор отличают гибкая система команд, хорошая аппаратная поддержка операций с плавающей точкой, мощная система адресации, расширенное адресное пространство, поддержка языка высокого уровня Си. Процессор производится по 0, 7 микронной КМОП технологии с 3 уровнями металлизации. Все операции в процессоре выполняются за один такт. При длительности такта 60 нc процессор TMS 320 C 30 имеет быстродействие около 33 млн. операций с плавающей точкой в секунду. 21
Микропроцессоры семейства TMS 320 C 3 x Высокая производительность процессора на DSP алгоритмах обеспечивается благодаря аппаратному выполнению ряда специфических функций, которые в других процессорах реализуются программно. Процессор имеет конвейерную регистро ориентированную архитектуру и может параллельно выполнять в одном такте умножение и арифметико логические операции с числами в формате с фиксированной или плавающей точкой. 22
Микропроцессоры семейства TMS 320 C 5 x Процессоры следующего поколения, обеспечивая совместимость по системе команд и наследуя общие архитектурные особенности построения процессоров предыдущего поколения, отличаются большими функциональными возможностями, повышенной тактовой частотой, меньшим энерго потреблением. В процессоре реализована аппаратная поддержка кольцевых буферов, имеется возможность одновременного создания в памяти данных 2 неза висимых кольцевых буферов. Существует возможность кратного выполнения блока программы. Процессор содержит 11 теневых регистров, используемых для быстрого сохранения/восстановления состояния основных регистров в случае возникновения программных или аппаратных прерываний. Параллельное логическое устройство процессора позволяет выпол нять битовые и логические операции над операндами, содержащимися в памяти и различных регистрах. Процессор может использовать 244 К слов памяти, в том числе: 64 К память программ, 64 К память данных, 64 К 16 разрядные порты ввода/ вывода, 32 К глобальная память. 23
Микропроцессоры семейства TMS 320 C 5 x 24
Микропроцессоры семейства TMS 320 C 6 xхх Первый представитель данного семейства TMS 320 C 6201, оперирует с данными в формате с фиксированной точкой. С производительностью до 1, 6 млрд. операций в секунду и широким набором инструментальных средств представители этого семейства могут претендовать на экономичное решение многих задач, требующих высокопроизводительной обработки сигналов. В числе новых областей применения микропроцессоров семейства 'С 6 х : • сети TCP/IP; • универсальная беспроводная связь; • удаленная медицинская диагностика; • радикально новые возможности телефонии; • персональные средства информационного обеспечения и защиты. В то же время возможно использование микропроцессоров TMS 320 C 62 x и в уже существующих прикладных системах для увеличения их произво дительности. К таким системам относятся: • базовые станции мобильной связи; • модемные пулы и серверы удаленного доступа; • x. DSL модемы следующего поколения и кабельные модемы; • многоканальные телефонные платформы, включая центральные офис ные коммутаторы, РВХ и системы речевой передачи сообщений; • мультимедийные системы. 25
ADSP Высокочастотные и радиочастотные компоненты Модуляторы с прямым цифровым синтезом (DDS), цифровые преобразователи частоты / модуляторы, цифровые синтезаторы сигналов (DDS), логарифмические усилители / детекторы, смесители / перемножители, модуляторы / демодуляторы, синтезаторы ФАПЧ и ГУН, РЧ / ПЧ усилители, приемопередатчики для радиосвязи, радиочастотные ключи, детекторы среднеквадратичного напряжения, приемные / передающие подсистемы, приемопередатчики ближнего радиуса действия; http: //analog. shpat. com/index. html 26
ADSP Микропроцессоры компании Analog Devices образуют несколько семейств, из которых мы рассмотрим ADSP 21 xx, ADSP 210 xx и 2 более современных. В рамках каждого семейства микропроцессоров обеспечивается совместимость снизу вверх по системе команд. Старшие представители семейства обладают большими функциональными возможностями и содержат на кристалле дополнительные функциональные блоки Семейство ADSP 21 xx – исторически первое, с худшими параметрами. 27
Методы повышения производительности ADSP Двойная Гарвардская архитектура Увеличено число исполнительных блоков (суперскалярная архитектура) Конвеерное выполнение команд Последовательное соблюдение принципа – 1 команда – 1 такт. Выполнение математических операций только с регистрами (нет прямой или косвенной адресации к памяти для этих групп команд) 28
ADSP 2106 x Микропроцессоры семейства ADSP 2106 x имеют второе название SHARC, связанное с особенностями их архитектуры (Super Harvad Archi ecture t Computer), которая задаст новый стандарт интеграции сигнальных процессоров в мультипроцессорную систему 29
ADSP 21 xx Типичный специализированный МК 30
ADSP TS 001 микропроцессор с суперскалярной архитектурой. Процессоры Tiger. SHARC сочетают возможности цифровой обработки сигналов с особенностями RISC и VLIW. В ADSP TS 001 поддерживаются на высоком уровне такие присущие процессорам ЦОС характеристики, как короткий машинный, быстрая реакция на прерывания и эффективный интерфейс с периферийными устройствами. Это достигается использованием VLIW подхода к планированию загрузки функциональных блоков и RISC подхода к исполнению команд.
Применение Tiger. SHARC Основная область применения МП Tiger. SHARC телекоммуникации, требующие высокопроизводительной обработки данных: базовые станции сотовых сетей третьего поколения, приложения, связанные с передачей речи по сетям с протоколом TCP/IP (Vo. IP Voice over IP), серверы и сетевые концентраторы.
Применение DSP фирмы Motorola Область применения сигнальных процессоров фирмы Motorola чрезвычайно обширна. Это обусловлено с одной стороны взрывным внедрением методов цифровой обработки сигналов, практически, во все виды человеческой деятельности в последние годы, а с другой стороны широкой номенклатурой DSP фирмы Motorola. Ниже представлены некоторые области применений, каждое из которых подразделяется на более конкретные приложения. По каждому из под направлений указаны семейства ЦПОС фирмы Motorola: 561 ХХ, 563 ХХ, 5600 Х и 9600 Х, которые целесообразно применять.
Области применения Телекоммуникации Т 1 мультиплексоры (561 ХХ) Транскодеры (561 ХХ) Блоки цифровых АТС (561 ХХ) Тональный набор (561 ХХ, 5600 Х, 5630 X) Обработка речи, вокодеры (561 ХХ, 5600 Х, 5630 X) Голосовая почта (561 ХХ) Спутниковые приемники (561 ХХ, 5600 Х, 5630 X) Мобильная связь (561 ХХ, 5600 Х, 5630 X) Закрытая связь (561 ХХ, 5600 Х, 5630 X) Эхо компенсаторы (5600 Х, 5630 X) Громкоговорящая связь (5600 Х, 5630 X) Видеотелефоны (5600 Х, 5630 X, 9600 Х)
Применение DSP 5680 Среди многочисленных применений DSP рассмотрим структурную схему системы персонального радиовызова на базе DSP 5680. Его схема приведена ниже. DSP выполняет роль устройства управления и связи с радиочастотным блоком и с оператором, операции кодирования декодирования выполняет специализированная микросхема.
Схема универсального МК
Схема МК устройства
Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Перечислите достоинства и недостатки ЦОС. Перечислите общие особенности сигнальных процессоров. Поясните особенности работы цифровых фильтров (ЦФ). Приведите структурную схему ЦФ с конечной импульсной характеристикой. Приведите структурную схему и выражение ЦФ с бесконечной импульсной характеристикой. Перечислите методы нелинейной обработки сигналов. Поясните назначение двойной Гарвардской архитектуры, в каких МП она применяется? Перечислите методы повышения производительности сигнальных процессоров. 38
Скачать презентацию Лекция 12 Цифровые процессоры обработки сигналов Лектор Люличева
ОТМП_12у-2011.ppt